Uso de la fabricación aditiva en prototipos

Fabricación Aditiva en Prototipos

DESARROLLO DEL DISEÑO DE UN PRODUCTO

A diferencia de la fabricación tradicional que consiste generalmente en obtener una pieza a partir de otra de mayores dimensiones mediante sustracción de material, la fabricación aditiva en prototipos o también llamada impresión 3D consiste en añadir material de forma progresiva para finalmente obtener una pieza.

FABRICACIÓN ADITIVA EN PROTOTIPOS

En la actualidad surgen nuevas tecnologías, máquinas y empresas que mejoran el estado del arte casi de una forma constante.

Existen numerosas tecnologías de fabricación mediante adición de material, la más común y conocida modelado por deposición fundida (FDM) no representa las verdaderas capacidades industriales de los procesos existentes.

Fabricación Aditiva en Prototipos 1

COMPARACIÓN FABRICACIÓN ADITIVA Y SUSTRACTIVA

Un error común a la hora de analizar las ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva en comparación con la sustractiva, es utilizar el mismo diseño para ambos casos.

La principal ventaja de la fabricación aditiva en prototipos es hacer viable nuevos diseños o mejorar la funcionalidad de la pieza mediante cambios en la geometría que serían imposibles de realizar usando las formas tradicionales de fabricación. En resumen, la primera y más importante capacidad de la tecnología es fabricar piezas con una forma que sería inviable realizar mediante métodos tradicionales a un coste razonable.

Fabricación Aditiva en Prototipos 2

Otro error que generalmente cometemos es intentar sustituir piezas finales (que se usan en el producto a fabricar), la fabricación aditiva en prototipos puede presentar un ahorro considerable y más inmediato en todos los utillajes, herramientas, prototipos, ensayos, moldes, etc. necesarios para el desarrollo del producto, la industrialización y producción final.

Lo explicado en el párrafo anterior no limita la viabilidad de producción de piezas finales mediante la impresión 3D, siendo muy interesante en series cortas o cuando no se cuenta con utillajes o moldes necesarios para la fabricación tradicional. Presenta un beneficio en reducción de stock y que hay numerosos proveedores que pueden proveer la pieza en cuestión de días a lo largo de todo el mundo. Se pueden utilizar numerosos materiales plásticos y metálicos, incluidos el aluminio y el titanio. 

El coste de los materiales es muy variable, de 30 a 60 euros/kg los más comunes y los más técnicos y específicos pueden llegar a costar 1000 euros/kg.

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Tecnologías

Una forma de clasificar la fabricación aditiva en prototipos es mediante el tipo de material o forma en que se presenta la materia prima. Polvo de plástico o metal, hilo fundido (incluido hilo a partir de pellets), resina líquida fotocurable y láminas de muy delgadas. A partir de esta materia prima existen mayor cantidad de tecnologías para su procesamiento, ver imágenes a continuación con mayor detalle:

FAMILIAS DE FABRICACIÓN ADITIVA

tabla fases
tabla fases 1

SLA, DLP, 3SP y CLIP (Foto-polimerizar en cubo de resina).

Tecnología Estereolitografía

El nombre más conocido para esta tecnología es estereolitografía (SLA) y consiste en la foto-solidificación de un polímero líquido contenido en un recipiente que cura con determinada fuente de luz. Las distintas variantes en la fuente de luz (láser, proyector, DLP, LED, etc) dan origen a los distintos nombres.
La pieza se va formando por capas sucesivas de resina curada. Tiene la ventaja de obtener superficies lisas, con mucha resolución (probablemente la más alta de todas la tecnologías) y con dimensiones de pieza que llegan a ser considerables (210×70×80 cm.). Por el contrario su coste es medio-elevado, la pieza envejece con el tiempo más rápidamente que otras tecnologías, es susceptible a la radiación UV deteriorando sus características, es frágil y de baja resistencia.

Materiales

Esta tecnología está limitada a materiales que presentan la propiedad de pasar de estado líquido a sólido mediante la aplicación de una determinada luz, generalmente ultravioleta. Existen nuevas propuestas para trabajar con materiales que curan por ejemplo con la luz visible de un móvil o pantalla de ordenador para abaratar el coste de las máquinas. El precio del material varía entre 30 a 250 euros el litro.

Uso

Se aplica de forma generalizada en la realización de prototipos estéticos o modelos, sobre todo si se requieren acabados translúcidos, o superficies lisas. En la industria se utiliza para la creación de moldes maestros para moldeo por inyección, termoconformado, moldeo por soplado, y varios procesos de forja.

También debido a su excelente resolución y al desarrollo de materiales calcinables y biocompatibles se utiliza en el sector médico y dental para generar machos para moldear por ejemplo dientes o coronas  en otro material o pieza final que pueda ser usada por un período de tiempo en la boca.

SLS, PBF, DMLS, SLM, SHS y MJF

(Fusión de polvo o sinterizado selectivo)

Tecnología 

He englobado tecnologías muy distintas en este apartado, todas ellas parten de polvo como materia prima, distribuido en una cama de polvo sobre una plataforma para formar dentro de una cubeta.

La pieza se genera fundiendo de forma selectiva parte de este polvo, una de sus grandes ventajas es que el mismo polvo (no fundido) sostiene y mantiene la forma de la pieza mientras se enfría y solidifica.

La tecnología más conocida es el sinterizado láser selectivo (SLS), en este momento HP con la creación de una nueva tecnología llamada Multi Jet Fusion (MJF) busca robar mercado al SLS y defiende que es más rápido, mejor y más económico, aunque limitado para plásticos en este momento.

Para la fabricación de piezas en metal la pieza debe ser unida a la plataforma mediante soportes a diferencia del plástico que no tiene esta limitación. Esta limitación hace que la fabricación en metal sea más costosa, ya que la plataforma es un consumible asociado a la producción de las piezas.

Materiales

Los materiales disponibles son muchos y van en aumento, requieren unas características determinadas para poder
ser usados:

  • La materia prima es polvo con un tamaño medio de grano generalmente de 50 micras. Por ello es tan costosa su producción sobre todo en metal.

  • Termoplásticos con determinadas características en el cambio de fase solido–líquido–solido, que permita estabilidad dimensional y buenas propiedades mecánicas. Por ejemplo: Poliamidas 6, 11 y 12. TPU, PP.

  • La materia prima en plástico y metales se considera explosiva por su gran potencial de oxidación. Se requieren medidas ATEX que en metal puede llegar a ser muy costosas y restrictivas.

El producto final o pieza fabricada tiene unas propiedades muy similares en resistencia y densidad a piezas moldeadas o sinterizadas, plástico y metal respectivamente. Sin embargo el alargamiento a la rotura y la tenacidad (capacidad de absorber energía) se ven notablemente reducidas.

El precio del material ronda los 60 – 100 euros/kg en plástico y 500 – 1000 euros/kg en metales (aleaciones de aluminio,
acero, acero inoxidable y titanio).

Uso

Su uso es muy amplio es la tecnología más utilizada en la industria para la producción de prototipos y pieza final.

La limitación en forma es muy baja, pudiendo fabricarse piezas realmente complejas, imposibles de fabricar hace pocos años, con buenas características mecánicas, buenas tolerancias dimensionales de hasta 700 x 380 x 580 mm.

3. FDM y FFF

(Moldeado por hilo fundido)

Tecnología

Es la tecnología más accesible y por lo tanto la más usada por los llamados Makers. Comúnmente asociamos la impresión 3D solo a esta tecnología y a las máquinas económicas de 200 a 2000 euros. Aproximadamente el 3/4 de todas las máquinas del mundo son FDM de bajo coste, gracias a la democratización de esta tecnología y a la mejora de la misma se ha conocido la tecnología por casi todo el mundo.
Por otro lado las máquinas de FDM industriales han seguido evolucionando y sus capacidades y calidad son notablemente superiores que las máquinas de escritorio de bajo coste.
Diferenciándose por la capacidad de trabajar con plásticos más técnicos, difíciles de trabajar, con mejores propiedades mecánicas, que funden a mucho mayores temperaturas (el doble) y expandiendo fronteras a materiales compuestos, Fibra de carbono y Fibra de Kevlar.
En el 2017 ha aparecido una empresa capaz de romper la barrera y producir piezas metálicas usando una tecnología que podemos asimilar como FDM con procesos posteriores de sinterizado metálico.

Materiales

Existen gran cantidad de materiales, colores y formatos. Generalmente se trabaja con bobinas con un diámetro entre 1,75 y 3mm pero existen máquinas que se alimentan con Pellets. Se pueden trabajar gran cantidad de termoplásticos como el PLA, ABS, PA, ASA, PP, PC, ULTEM, etc. Existen materiales con carga metálica, fibra de carbono, etc.
En un futuro con la tecnología de Metal X se podrá fabricar en metal. El precio del material ronda los 30 – 250 euros/kg en plástico. Desconozco el precio de la materia prima y características de las futuras piezas metálicas ofrecidas por Markforged Metal X .

Uso

Su uso es muy común y diverso, desde la fabricación de una pieza sencilla en el escritorio de un diseñador para verificar la ergonomía o estética de un producto hasta la producción de un ducto de aire acondicionado como pieza final instalada en un avión.

En la industria se aplica en piezas que requieran mejor estabilidad térmica y mayores dimensiones que las que puede ofrecer el sinterizado laser (a partir de polvo). Suele ser un proceso más costoso para este tipo de piezas y tiene el inconveniente de ser ortotrópico, las capas sucesivas de material pueden separarse ya que los hilos que conforman la pieza no están completamente fundidos entre sí en este plano.

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Aplicaciones comunes

La fabricación aditiva en prototipos es una tecnología en crecimiento donde cada año surgen nuevas máquinas, empresas, procesos, materiales, aplicaciones y que ya tiene un peso importante e interesante en algunos sectores. La industria 4.0, evolución de las tecnologías tradicionales en conjunto con las tecnologías de comunicación, big data y sensorización cuenta con la rama de fabricación aditiva en prototipos como el mayor exponente de flexibilidad en la producción.

La forma más lógica de clasificar las aplicaciones de la tecnología es en piezas prototipo, utillajes, modelos y pieza final. Dependiendo del sector y la tecnología la pieza podrá tener un fin distinto. A continuación una lista de ejemplos de piezas producidas mediante fabricación
aditiva.

En la industria se aplica en piezas que requieran mejor estabilidad térmica y mayores dimensiones que las que puede ofrecer el sinterizado laser (a partir de polvo). Suele ser un proceso más costoso para este tipo de piezas y tiene el inconveniente de ser ortotrópico, las capas sucesivas de material pueden separarse ya que los hilos que conforman la pieza no están completamente fundidos entre sí en este plano.

¿Cómo se desarrolla un nuevo producto?

DESARROLLO DEL DISEÑO DE UN PRODUCTO

«Este artículo lo hemos realizado para orientar a los emprendedores de proyectos de desarrollo de productos, todos aquellos que se quieran lanzar a la gran aventura de llevar un producto al mercado. Nosotros entendemos el desarrollo de un producto en 3 fases o etapas a diferenciar estratégicamente..»

FASES DESARROLLO DE PRODUCTO

 1. Ideación y desarrollo de conceptos.

2. Desarrollo de prototipos e ingeniería de detalle.

3. Industrialización y lanzamiento al mercado.

La madurez del concepto, definición o detalles del producto, avanza a medida que pasamos de una fase a la siguiente, de igual forma la flexibilidad para realizar cambios en el producto disminuye. Las decisiones, información necesaria y libertades que se tienen en cada una de las fases cambia radicalmente junto con la inversión requerida para materializarlo.

 Por ejemplo: en la creación de un producto sencillo como una carcasa plástica contenedora de una electrónica para domótica en el momento de diseñar el concepto debemos considerar todos los requerimientos del producto pero tenemos infinidad de soluciones, por ejemplo, se podría hacer de inyección o se podría hacer mediante rotomoldeo.

diseño y prototipo

A medida que avanzamos tenemos que tener más claro el número de unidades a fabricar, la calidad y el precio objetivo para finalmente seleccionar una de las dos alternativas de fabricación anteriormente mencionadas. Finalmente en la etapa de industrialización se podrán hacer pocos ajustes en la estética del producto, sin embargo es muy importante negociar condiciones de calidad y pago con los proveedores para garantizar la viabilidad del proyecto de negocio.

DESARROLLO DE PRODUCTO DEPORTIVO

La particularidad del desarrollo de productos físicos, hardware, que planteamos difiere de las de desarrollo de software o servicios. El desarrollo de productos físicos, novedosos, tecnológicos, en los que se requiere un esfuerzo en el diseño, ingeniería y sobre todo la inversión en útiles, cómo podría ser un molde, para su posterior fabricación no es necesario en otros sectores.

diseño y ensamblaje

Sin embargo estas etapas si se cumplen en proyectos donde se requiera fabricar una única unidad, como por ejemplo el desarrollo de una máquina que automatice una tarea y que no se encuentra en el mercado o la realización de un ensayo que mida la eficiencia de
una plataforma flotante.

Ya entrando en el tema que nos concierne, el desarrollo lo podemos dividir en 3 fases diferenciadas.

FASES DISEÑO DE PRODUCTO DEPORTIVO

Si el equipo consigue cumplir estos 4 puntos, podríamos decir que sería la situación idónea, pero aquí ya depende de lo cómodo que se encuentre cada uno en cada situación.

El objetivo es conseguir un concepto viable y que cumpla con todos los requisitos exigidos. Existen herramientas para la búsqueda de soluciones novedosas, nuestra herramienta predilecta es la aplicación del pensamiento lateral, la experiencia en distintos sectores es una ventaja, aplicar soluciones a problemas distintos ya implantadas en otro ámbito puede resultar en una innovación disruptiva.

algunos sectores llaman a esta fase oficina técnica, en esta etapa se desarrolla la ingeniería o detalle a partir de un concepto, muy importante hacer seguimiento del cumplimiento de todos los requisitos. El resultado de esta etapa es la definición de las piezas mediante especificaciones y planos, y más importante la construcción de prototipos funcionales.

En la que se definen todos los procesos de fabricación, se localizan los proveedores, se negocian las calidades, costes y se acompaña en el control de las primeras piezas producidas y comercializables.

Nota útil:

Para un mejor resultado de todo el proceso especificar las características más importantes del producto:

Coste objetivo (precio de venta y coste de producción) 
Tamaño 
Estética
Público objetivo
Requisitos técnicos

Número de unidades a producir
Localización geográfica de las ventas
Nivel de control de
producción / logística y otras estrategias de fabricación.

Resumen

A modo resumen los puntos más importantes a resaltar en el desarrollo y diseño de un producto son la limitación correctas de sus fases, la inversión y las ventas. El trabajo del equipo de desarrollo del producto desaparece cuando se estabiliza la producción o cuando se ha transferido a un encargado de fabricación.

Prototip0 gestiona los proyectos por fases, definiendo objetivos y entregables claros. Conocer los resultados esperados por el equipo de negocio y los requerimientos del proyecto ayudan a gestionar el desarrollo para cumplir con las expectativas.

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